b01 Me III - 08 Seleccion de Maquinas Sincronas Abril 2015

MEIII - 08 SELECCION DE MAQUINAS SINCRONAS

MAQUINAS SINCRONAS HUBER MURILLO MANRIQUE [email protected] 1

SELECCIN DE MAQUINAS SINCRONAS 1.- CARACTERISTICAS NOMINALES Es la potencia nominal que un alternador puede entregar, dentro de sus caractersticas nominales y en rgimen continuo. Este concepto, de potencia nominal, esta ntimamente ligado a la elevacin de temperatura de los arrollamientos. Sabemos que el alternador puede accionar cargas que estn por encima de su potencia nominal hasta alcanzar el lmite de estabilidad. Si los alternadores entregan una potencia mayor de la que fue proyectado en este caso el calentamiento normal de los arrollamientos ser sobrepasado disminuyendo la vida del alternador o en muchos casos llegando a quemarse. Para poder seleccionar adecuadamente los alternadores es conveniente tener en cuenta las caractersticas de funcionamiento en forma clara, precisa y correcta: a.- Potencia nominal KVA. b.- Factor de potencia Cos fi. c.- Nmero de polos. d.- Nmero de fases. e.- Frecuencia (Hz) f.- Temperatura ambiente C. g.- Altitud (msnm) h.- Proteccin trmica. i.- Tensin de armadura (DC Votios). j.- Tipo de excitacin. . Sistema sin escobillas. . Sistema con excitatriz esttica. k.- Rgimen de servicio y la descripcin del ciclo de trabajo. m.- Grado de proteccin de la mquina. p.- Tipo de aplicacin (industrial, naval, entre otras). q.- Forma constructiva. r.- Caractersticas de la carga. s.- Precisin de la regulacin. t.- Rango de ajuste de tensin. u.- Tipos de regulacin: tensin constante y/o tensin y frecuencia constante. v.- Momento de inercia GD

2.- CALCULOS DE LA REACTANCIA (Xd) Cuando se trata de utilizar dos o mas generadores, la reactancia transitoria equivalente se calcula con la siguiente expresin:

Ig total Ig 1 Ig 2 Ig n -------------- = ---------- + ---------- + .......... ----------- Xd total Xd1 Xd 2 Xd n Donde: Ig total = Ig1 + Ig2 + ............. + Ig n Siendo: Ig total = Corriente total de los generadores. Ig 1.. n = Corrientes de los generadores conectados en paralelo. Xd total = Reactancia transitoria total conectados en paralelo. Xd 1... n = Reactancia transitoria de los generadores 1 .... n.



CONVERSION DE REACTANCIAS Resulta muy familiar encontrar las reactancias de las mquinas dado en pu. Como referencia definimos la reactancia nominal como:

Xn = Un / (3 . In) Ohmios. Luego la reactancia estar referida a los valores nominales del alternador, siendo sta la reactancia base para el clculo de los valores en p.u. X = Xa / Xn pu Si la misma mquina fuera utilizada para un nmero mayor de RPM, cambindose la frecuencia, tensin y potencia la reactancia de la mquina se modifica conforme la siguiente expresin:

X 2 = X1 (SN2 / SN1) (F2 / F1) (UN1 / UN2)2

Donde: X 2 , X 1 = Reactancias nueva y antigua respectivamente. SN2, SN1 = Potencias nueva y antigua respectivamente. F2 , F1 = Frecuencias nueva y antigua. UN1 y UN2 = Son las tensiones nueva y antigua. Los fabricantes ponen a disposicin del usuario sus catlogos, y manuales tcnicos donde nos recomiendan que las posibles alteraciones en las rotaciones pueden darse variando la frecuencia de 50 a 60 Hz. La variacin de tensin ser para una tensin menor y proporcionalmente a la frecuencia. En el caso de la variacin de la tensin para menos deber ser reducido tambin proporcionalmente la frecuencia. Ejemplo.- Dado un alternador de 640 KVA, 380 Voltios, 50 Hz. Luego el alternador es alterado para trabajar a 60 Hz. y abastecer 740 KVA. a 440 Voltios. Para 50 Hz. y 640 KVA la reactancia transitoria es de Xd' = 21%. Cual ser la reactancia transitoria para la nueva condicin de accionamiento?. Xd' (60Hz) = Xd' (50Hz) (60 / 50) (740 / 640) (380 / 440)

2

Xd' (60Hz) = 21 x 1.035 = 21.7 %.

3.- CALCULO DE LA CORRIENTE DE LOS GENERADORES

Ig = Kva / 3 x V nominal Notas importantes : 1.- Las reactancias Xd son utilizados nicamente para la seleccin de alternadores ( en el clculo de cada de tensin al arrancar motores asncronos ). 2.- Las reactancias Xd pueden ser utilizados para la seleccin de los interruptores automticos y estudios de cortocircuito. 3.- Siempre Xd > Xd

4.- CAIDA DE TENSIN DURANTE EL ARRANQUE DE MOTORES

Al aplicar una carga al alternador tenemos sbitamente una cada de tensin que depende de:

. La reactancia del alternador.

. La corriente de la carga en el arranque.



. Cos de la carga.

. Tipo de regulacin (AVR) del alternador. Los mayores problemas de cada de tensin y su inmediata recuperacin ocurre en el arranque de motores de induccin.

Durante el arranque de los motores de induccin el factor de potencia es del orden de : 0.25 .... 0.35 , y para facilitar el clculo hacemos los siguientes ajustes:

. El Cos sea igual a cero. ( carga inductiva pura )

. Despreciamos la impedancia de los cables de alimentacin, dimensionados para V < 2.5 %.

. Despreciamos la resistencia interna del alternador. Con estas simplificaciones obtenemos la siguiente expresin :

V = E . [ Xg / (Xg + Xm) ] Donde :

U = Cada de tensin. Xm y Xg son las reactancias del motor y generador en pu.

E es la tensin interna del generador. En funcin de la variacin de la carga las reactancias del alternador varan con el tiempo (Xd'', Xd' y Xd conforme las constantes de tiempo propias). El clculo de la cada de tensin se hace complejo si consideramos la variacin de la reac-tancia con el tiempo. Entonces la ecuacin de la cada de tensin en su forma genrica para cualquier valor de IP / IN del alternador es vlido la siguiente relacin:

V ( % ) = { Xd ( IP / Ign ) / [ 1 + Xd ( IP / Ign ) ] } x 100 20 % Donde:

Xd = Reactancia transitoria del generador.

IP = Corriente de arranque del motor.

Ign = Corriente nominal del generador.

CONTRIBUCIN DE LAS DEMS CARGAS EN LOS MOTORES DE INDUCCIN Los sistemas elctricos estn conformados por cargas diversas, encontrndose entre ellas los motores de induccin. Cuando se tiene que poner en funcionamiento dos ms motores asncronos trifsicos se recomienda proceder como sigue: . Se arranca el primero, que debe ser el ms grande. . Cuando se arranca el segundo se tiene que adicionar la contribucin y/o aporte del primero en el momento de su arranque y as sucesivamente. I p I p (motor que arranca)

---------- = ---------------------------------- + I1 carga + I 2 carga + .... In carga. I g n I g t

Donde: I1n carga = Contribucin de las cargas 1.

A = I1.In (carga del motor aportante) Es un incremento.

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I1 carga = A / Ign. ( pu)

Se calcula la cada de tensin V con este valor ubicado en el eje de las x, se ingresa al grfico (V vs I)

y se halla I.

I1 carga + I2 carga +.... + In carga Contribucin de las cargas 1 ... n. Teniendo en cuenta que las cargas mas pesadas estn constituidas por los motores de induccin es que resulta necesario conocer sus caractersticas de funcionamiento. Para realizarlo se recomienda seguir el procedimiento que a continuacin presentamos: - Hacer un cuadro con las caractersticas que se indican:

Tabla 1.- Caractersticas de los motores trifsicos

HP KW In ( Amp ) Ip / In Ip ( Amp ) # polos IP Vn ( Vol.)

40 30 98 8.7 853 4 54 220

60 45 148 7.3 1080 4 54 220

75 55 180 7.4 1332 4 54 220

- Elegir el tipo de arranque a utilizarse para poner en funcionamiento a los motores.

Tipo arranque Aplicacin

Directo Motores pequeos

Estrella tringulo Medianos > 30 Kw Autotransformador Grandes > 150 Kw

Part - winding Especiales para compresores

Especial soft - starter Todos

- Calcular y /o medir el nivel de tensin en el momento del arranque ( V ) y compararlo

con la tensin nominal que se debera utilizar en este tipo de arranque (Vn). A contitinuacin llevar (V / Vn) al esquema figura K1 vs V/Vn y encontraremos K1.

INCREMENTOS DE TENSION ( DV ) VS LOS

INCREMENTOS DE CORRIENTE ( DI )

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 70

INCREMENTOS DE TENSION ( DV )

INC

RE

ME

NT

OS

DE

CO

RR

IEN

TE

(

DI

)

DI



5

K1 es el factor de reduccin de corriente. ( Ver factores de correccin ) Hacer el clculo de la cada de tensin en el arranque, utilizando la ecuacin sgte. Donde:

V = Cada de tensin durante el periodo del arranque. Xd = Reactancia transitoria correspondiente en el arranque. Ip = Es la corriente de arranque y/o partida de los motores.

Ign = Es la corriente de nominal de los motores.

5.- SELECCIN DE MAQUINAS SINCRONAS Teniendo en cuenta la diversidad de caractersticas de funcionamiento de las cargas y de las propias mquinas sncronas nos encontramos con los siguientes procedimientos para la seleccin y son las que presentamos a continuacin: 5.1.- Potencia del alternador en funcin de las fuentes consumidoras.- Para la determinacin del tamao de la mquina debemos conocer la potencia aparente (S).

S = 3 . VL . IL Donde:

S = Es la potencia aparente en Voltios amperios (V.A). UL = Es la tensin de lnea en Voltios (V). IL = Es la corriente de lnea en Amperios (A).

En los catlogos la potencia aparente es dado en KVA siendo vlido para factores de potencia entre 1 y 0.8.

Esto implica que para seleccionar el alternador debe ser conocido el Cos de la carga. Por tanto si un alternador es conectado a cargas cuyos factores de potencia son diferentes, es preciso averiguar antes cuales son los componentes de potencia activa y reactiva, para luego determinar la potencia aparente total.

FACTORES DE CORRECCION DE : CORRIENTE ( K1 )

Y TORQUE ( K2 ) EN FUNCION DE LA TENSION

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

TENSION APLICADA / TENSION NOMINAL ( V / V nominal )

FA

CTO

RE

S K

1 Y

K2

K1

K2



6

S = { ( P1 + P2 .. + Pn ) 2 + ( Q1 + Q2 .. + Qn )

2 }

Donde: Pn = Componente de potencia activa del consumidor.

Qn = Componente de potencia reactiva del consumidor. Por tanto:

Cos = ( P / S )

INFLUENCIA DEL FACTOR DE POTENCIA

Si existe necesidad de calcular la cada de tensin para Cos diferente de cero debemos utilizar este grfico.

5.2.- Potencia del alternador en funcin de la potencia del motor primo.- Muchas veces no es posible conocer la potencia exacta de las fuentes consumidoras (cargas del sistema), en este caso la potencia del alternador es determinada a partir de la potencia mecnica (motor primo), cuyo factor de potencia puede adoptarse como 0.8. De la potencia til del motor primo disminuimos las prdidas del alternador para obtener la potencia activa que se pone a disposicin en los bornes del alternador.

PG = Pmotor primo . EFG KW. Donde:

PG = Potencia del generador en KW. PM = Potencia del motor primo accionante en KW. EF( G ) = Rendimiento del generador en (%).

Tener en consideracin el rendimiento de los alternadores indicados en los catlogos para factores de potencia de 1 a 0.8. Con sta informacin podemos decir:

S = PG / Cos = {Pmotor primo . EFG } / Cos

6.- APLICACIN DE LA METODOLOGIA Ejemplo N 1.- Seleccionar un alternador para accionar motor de 5CV 4 polos 380 Voltios teniendo : Ip / In

= 7.1, Ip = 61.4 A. , In = 8.65 A. Cada de tensin admisible 20%

FACTOR DE POTENCIA EN MAQUINAS SINCRONAS

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

POTENCIA ( % )

FA

CTO

R D

E P

OTE

NC

IA ( %

)

COSFI



7

168/04 30 24 32 43 86 87 86 89 90 89 6.0 11 0.16 230

163/04 14 11 16 21 84 83 82 87 87 86 10 15 0.11 155

165/04 20 16 22 30 85 85 84 88 88 84 9.0 14 0.12 180

167/04 25 20 27 36 86 86 85 89 89 88 8.0 13 0.14 210

KVA KW KW CV 50% 75% 100% 50% 75% 100%

COS = 0.8 COS = 1

EFICIENCIA ( % ) HMMTIPO

POTENCIA

GENERADA

POTENCIA

MOTOR

PRIMO Xd

( % )

Xd

( % )

J

Kgm

G

Kg

ALTERNADORES SINCRONOS TRIFASICOS, 380 Voltios, 60 Hz , 04 polos,

1800 RPM, Cos 0.8 , Tamb. 40 C. NORMA VDE- 530

DKBH Mquina trifsica sin escobillas con excitatriz auxiliar y regulador electrnico de tensin.

DKBL Mquina trifsica sin escobillas con regulador compuesto.

EKL Mquina monofsica sin escobillas con con regulador compuesto.

EL Mquina monofsica sin escobillas sin regulador compuesto.

DBMH Motor sncrono sin escobillas con disco de control de excitacin

DBL Mquina trifsica sin escobillas con excitacin independiente.

DKL Mquina trifsica con escobillas con regulador compuesto.

DL Mquina trifsica con escobillas con excitacin independient.

TIPO DESCRIPCION GENERAL

a.- Alternador tipo DKBH ( con escobillas ) 163 / 04, 14 KVA , Xd' = 15%, 380 Voltios.

La corriente del alternador es: Ig = 14,000/3x380 = 21.3 Amp.

Ip / Ig = 61.4 / 21.3 = 2.8826

Xd' . Ip / In 0.15 x 2.8826

V = ------------------------- = ---------------------------- = 30.18% Muy alto 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.15 x 2.8826 b.- Luego escogemos otro alternador tipo 167/04, 25 KVA Xd' = 13% 380 Voltios. La corriente del nuevo alternador:

Ig = 25,000 / 3 x 380 = 38 Amp.

Ip / Ig = 61.4 / 38 = 1.6158 Xd' . Ip / In 0.13 x 1.6158

V = ------------------------ = ------------------------------ = 17.36% 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.13 x 1.6158 DV = 17.36%. Luego escogemos este alternador. PERO ES MUY GRANDE c.- Elegir otra alternativa. ARRANQUE ESTRELLA - TRIANGULO. Arrancamos el motor con tensin reducida, arranque estrella tringulo. Escogemos el alternador de (a) 163 / 04, 14 KVA , Xd' = 15%, 380 Voltios, 60 Hz . La corriente del alternador:

Ig = 14,000 / 3 x 380 = 21.3 Amp.



8

La nueva corriente de arranque es: Para arranque Y - K1 = 0.47

Para hallar K1, poner atencin y seguir las explicaciones del profesor

Ip = K1 . 61.4 / 21.3 = 0.47 x 61.4 = 28.87 Amperios Ip = Ip / Ig = 28.87 / 21.3 = 1.35

Xd' . Ip / In 0.15 x 1.5854

V = ------------------------- = ---------------------------- = 19.21 % 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.15 x 1.5854

V = 19.21 %. Aceptable . Ejemplo N 2.- Hacer la seleccin de un alternador para el cuadro siguiente de cargas: a.- Los motores utilizados trabajan en 380 Voltios, 60 Hz y sus dems caractersticas son las siguientes: La secuencia de arranque es : 125,25 y 75 CV. b.- Al seleccionar un generador sncrono, escogemos el Generador tipo DKBH 287/04 290 KVA. Xd = 17.19%, 380 Voltios. Este tipo es aprox. igual al IEC frame 315LI35. c.- Condiciones de arranque de los motores: Utilizar autotransformadores. I .- Primero parte el motor 125 CV utilizando un arranque con tap a 65%. II.- Arranque del motor de 75 CV (arranque con tap al 65%), considerando que los motores de 125 y 25 CV ya estn en funcionamiento.

FACTORES DE CORRECCION DE : CORRIENTE ( K1 )

Y TORQUE ( K2 ) EN FUNCION DE LA TENSION

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

TENSION APLICADA / TENSION NOMINAL ( V / V nominal )

FA

CT

OR

ES

K

1

Y K

2

K1

K2



9

Tabla 2.1.- Potencias de las fuentes consumidoras

Carga CV Cos EF(%) P(KW) Pin(KW) S ( KVA) Q(KVAR) Motor 125

0.86

90

92

102

118.2

61

Motor 75

0.90

89

55.2

62.0

68.9 30

Motor 25

0.85

92

18.5

20

23.5

12.3

Pin ( Kw ) total = 184 Q ( Kavar ) total = 103.3 S ( Kva ) = 211. L 29.31

Tabla 2.2..- Caractersticas de los motores trifsicos marca WEG.

CV KW In ( Amp ) Ip / In Ip ( Amp ) # polos IP Vn ( Vol.)

125 90 179 7.3 1307 4 54 380

75 55 104 7.4 770 4 54 380

25 18.5 36 8.6 308 4 54 380

Solucin

Calculo de la corriente del alternador: Ig = 290,000 / 3 x 380 = 440.61 Amp. (#) (#).- Calculando en bornes del alternador. I.- Arranque del motor de 125 CV .- Utilizando un arranque compensado con tap a 65%. Cada de tensin provocada por el arranque del motor de 125 CV. In = 179 Amp., Ip = 1307 Amp. Ip/In = 7.3 Utilizando llave compensadora con tap. 65% Ip = K1.1307. donde K1 es obtenido del grfico .( K1 vs U/Un) Teniendo U/Un = 65% ubicamos en el eje K1 = 0.55 Luego: Ip (125 CV) = 0.55 x 1307 = 719 Amp. Ip (125 CV) 719 ---------------------- = ----------- = 1.6315 Ig 440.61 Luego: Xd' Ip / Ign 0.1719 x 1.6315

V = ------------------------ = ------------------------------- = 0.219 1 + Xd' . Ip / Ign 1 + 0.1719 x 1.6315

v = 22 %. Resulta siendo muy alto. Luego, dependiendo del tipo de carga, podemos cambiar el tap a 60 % esto implica que K1 = 0.5 Ip = K1 . Ip = 0.5 . 1307 = 653.5

Ip / Ig = 653.5 / 440.61 = 1.4832 (pu) Xd' Ip / In 0.1719 x 1.4832

V = ------------------------ = ------------------------------- = 0.203 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.1719 x 1.4832

V = 20.3 %. ( 20% ) Ligeramente alto. No cumple.

Entonces podemos elegir un arranque Y - . Luego V / Vn = 57.7 % del grfico podemos ubicar K1 = 0.47



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Ip = K1. Ip = 0.47 x 1307 = 614.3 Ip / Ig = 614.3 / 440.61 = 1.3942 Xd' Ip / In 0.1719 x 1.3942

V = ------------------------ = ------------------------------- = 19.33 % (Si cumple) 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.1719 x 1.3942 II.- Arrancamos el motor de 25 CV.- Por el tamao el arranque puede ser directo. III.- Arranque del motor de 75 CV .- Utilizamos un arranque compensado con tap al 65% y considerando que los motores de 125 y 25 CV ya estn en funcionamiento. 1.- Arranque individual del motor de 75 CV. In = 104 Amp., Ip =770 Amp. Ip / In = 7.4 Utilizando llave compensadora con tap. 65% Ip = K1 .770. donde K1 es obtenido del grfico (K1 vs U /Un). Teniendo U/Un = 65% ubicamos en el eje K1 = 0.55 Luego:

Ip(75 CV) = 0.55 x 770 = 423.5 Amp.

Ip (75 CV) / Ign = 423.5 / 440.61 = 0.9612

Xd' . Ip/Ign 0.1719 x 0.9612

V = ------------------------ = --------------------------------- = 0.1418 1 + Xd' . Ip/Ign 1 + 0.1719 x 0.9612

V = 14.18 %. (si cumple) 2.- Contribucin de los 02 motores (125 y 25 CV) al arrancar el motor de 75 CV. El proceso de calculo resulta iterativo y es como sigue: El valor admitido de cada de tensin es 15%

del grfico .. (i (%) vs V (%) ) ingresamos con la cada de tensin

V = 15% ( supuesta ) y obtenemos variacin de corriente para los dos motores

i = 0.26. Luego acumulamos la corriente de los dos motores Motor (75 CV, In = 104 Amp. 380 Voltios). Arranque por autotransformador Ip ( 75 CV ) / Ign = 423.5 / 440.61 = 0.9612 Arranque (@1)

Motor (125 CV, In = 179 Amp. 380 Voltios). A = i x In = 0.26 x 179 = 46.54 Amp.

i ( 125 CV ) = A / Ig = 46.54 / 440.61 = 0.1056 Contribucin (@2)


i ( 25 CV ) = A / Ig = 9.36 / 440.61 = 0.02124 Contribucin (@3) @1, @2 y @3 tienen como base la corriente Ign del generador luego estn en p.u. Calculo de la cada: Ip Ip

------- = --------- (75 CV) + i (125) + i (25) = (@1) + (@2) + (@3) Ign Ign



Ip --------- = 0.9612 + 0.1056 + 0,02124 = 1.093 Ig Xd' . Ip / In 0.1719 x 1.093

V = ----------------------- = ----------------------------------- = 0.158 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.1719 x 1.093

V = 15.8 %. Como partimos con la suposicin de un V = 15% y el resultado fue 15.8 % entonces reformulamos el clculo.

Admitimos la cada de tensin de 15.8 % del grfico obtenemos i = 0.27, luego: Motor (75 CV, In = 104 Amp. 380 Voltios). Arranque por autotransformador Ip (75 CV) / Ign = 423.5 / 440.61 = 0.9612 Arranque (@1)

Motor ( 125 CV, In = 179 Amp. 380 Voltios ). A = i x In = 0.27 x 179 = 48.33 Amp.

i ( 125 CV ) = A / Ign = 48.33 / 440.61 = 0.1097 Contribucin (@2)


i ( 25 CV) = A / Ig = 9.72 / 440.61 = 0.0221 Contribucin (@3) @1, @2 y @3 tienen como base la corriente Ign del generador luego estn en p.u. Calculo de la cada: Ip Ip

------- = --------- ( 75 CV ) + i ( 125 ) + i ( 25 ) = (@1) + (@2) + (@3) Ign Ign Ip --------- = 0.9612 + 0.1097 + 0,0221 = 1.093 Ig Xd' . Ip / In 0.1719 x 1.093

V = ----------------------- = ----------------------------------- = 0.158 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.1719 x 1.093

V = 15.8 %. Luego V estipulado = V calculado OK Podemos observar que la contribucin de los motores ya en funcionamiento no causarn un incremento muy significativo en este caso , sobre la cada general. Ejemplo N 3.- Calcular el alternador para poner en servicio a las cargas que se en-cuentran en la tabla siguiente: Los motores estn trabajando a 440 Voltios.

a.- Alternador 04 polos 450 KVA Xd' = 18%, Ig = 450,000 / 3x440 = 590.47 Amp. Motor ( 200 CV ) Ip / Ig = 1800 / 590.47 = 3.04842 Arranque directo.



Carga CV

Cosf

EF(%)

P(KW)

Polos

In(A)

Ip/In(A)

Motor 150

0.85

90

110

4

190

1520

Motor 200

0.85

91

150

4

225

1800

Varias 30KVA

0.8

94

Xd' . Ip / In 0.18 x 3.04842

V ( 200 CV ) = ------------------------ = -------------------------------- = 35.43% 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.18 x 3.04842

V = 35.43%. Muy alto. b.- Colocar 02 alternadores en paralelo 2 x DKBH 321/04 430 KVA Xd'= 19% 440 Voltios.

Ig = 2 x 430,000 / 3 x 440 = 1128 Amp. Ip / Ig = 1800 / 1128 = 1.5957 Arranque directo. Xd' . Ip / In 0.19 x 1.5957

V ( 200 CV ) = ------------------------- = ----------------------------- = 23.265 % 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.19 x 1.5957

V ( 200 CV ) = 23.265 %. Muy alto. c.- Arrancar los motores con llaves compensadas con el tap a 65%. Utilizando llave com-pensadora con tap. 65% Ip = K1 .1800. donde K1 es obtenido del grfico ..(K1 vs U/Un). Teniendo U / Un = 65% ubicamos en el eje K1 = 0.55 Luego: Ip (125 CV) = 0.55 x 1800 = 990 Amp. Ip (125 CV) / Ig = 990 / 1128 = 0.8777 Luego la cada de tensin es: Xd' . Ip / In 0.19 x 0.8777

V (200 CV) = ------------------------ = ------------------------------- = 14.29% 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.19 x 0.8777

V (200 CV) = 14.29% < 20%. Ejemplo N 4.- Suponiendo existe una planta que utiliza un alternador Tipo 225I30 / 04 Xd' = 7.5%, 100 KVA con una carga instalada de 90 KVA. De los cuales dos son motores que representan una carga de 40 KVA. La planta ser ampliada con otras cargas tales como:

. 20 KVA en iluminacin y calentamiento.

. 01 motor de 100 CV, 440 Voltios, 04 polos, In = 125 Amp.



13

Cargas

Cosf

EF(%)

P(KW)

Polos

In(A)

Ip/In(A)

Carga 90 Kva

0.85

90

Motor 100 CV

4

125

1062.5

Varias 20 Kva

Ip / In = 8.5, Ip = 1062.5 Queremos seleccionar un alternador que trabaje en paralelo con el de 100 KVA. ya existente. Por tanto la cada de tensin debe ser < 20%.

Ig1 = 100,000 / 3 x 440 = 131.22 Amp.

Motores ya conectados Im1 = 40,000 / 3 x 440 = 52.5 Amp.

Asumiendo V = 20% i = 37% (V vs i)

A = i x In = 0.37 x 52.5 = 19.43 Amp. Luego el aporte de los motores ya conectados acumulan una corriente del Im1 = 19.43 A. Escogemos otro alternador 323 / 04 de 500 KVA, Xd' = 17%:

Ig2 = 500,000 / 3 x 440 = 656.04 Amp. Ig total = Ig1 + Ig2 = 783.30 Amp. 783.30 131.22 656.08

---------------- = -------------- + ----------------- Xd total = 16 % Xd' . tot. 13 17 Ip / Ig = ( 1062.5 + 19.4 ) / 787.3 = 1081.9 / 787.3 = 1.3742 Xd' . Ip / In 0.19 x 1.3742

V = ----------- -------------- = --------------------------------- = 18.02% 1 + Xd' . Ip / In 1 + 0.19 x 1.3742

V = 18.02 %. < 20% OK Ejemplo N 5.- En una industria debe ser instalado un grupo diessel para abastecer electricidad a sus instalaciones donde existen las siguientes fuentes consumidoras (cargas): - Iluminacin 80 KVA Cosf = 0.7 - Sistemas de calefaccin 152 KVA Cosf = 1.0 - 01 motor 3 trifsico WEG de 40 CV y 4 polos. IP54. - 01 motor 3 trifsico WEG de 60 CV y 4 polos. IP54. - 01 motor 3 trifsico WEG de 75 CV y 4 polos. IP54. Para la determinacin de la potencia fue considerado el rgimen continuo. Tener en cuenta la influencia de la partida de los motores. En los motores elctricos generalmente se indica la potencia en el eje y para el clculo de la potencia consumida se obtiene dividiendo la potencia en el eje entre la eficiencia o rendimiento.



Tabla 1.1.- Potencias activas, reactivas y aparentes de las fuentes consumidoras.

Carga

Cos

EF(%)

P(KW)

Pin(KW)

S(KVA)

Q(KVAR)

Iluminacin

0.70

56

56

80

57.0

Calenfacion

1.00

152

152

152

0

Motor 40 CV

0.88

90

30

33.3

37.8

17.8

Motor 60 CV

0.88

91

45

49.5

56.2

26.6

Motor 75 CV

0.90

89

55

61.8

68.7

29.9

De la tabla podemos calcular la potencia aparente total del generador y ser: Del valor de la potencia activa y reactiva de las fuentes consumidoras se obtiene la potencia aparente total del generador y con el factor de potencia de las cargas obtenemos los KVA de cada una de las cargas. Por ejemplo para el motor de 40 CV tenemos: Pin = { Peje ( KW ) / EF ( % ) } . 100 = 30 / 0.9 = 33.3 KW

S = Pin ( KW ) / Cos Donde:

S = Es la potencia aparente en Voltamperios (V.A). UL = Es la tensin de lnea en Voltios (V). IL = Es la corriente de lnea en Amperios (A).

S = 33.3 / 0.88 = 37.8 KVA. Q = { S

2 - Pin

2 } = {37.8

2 - 33.3

2 } = 17.8 KVAR.

De esta manera obtenemos las potencias de ingreso, potencia aparente y potencia reactiva de las dems cargas, tal como se puede encontrar en la siguiente tabla: Stotal = {( 56 + 152 + 49.5 + 61.8 + 33.3 )

2 + ( 57 + 17.8 + 26.6 + 29.9 )

2 }

Stotal = 376 KVA. Por tanto el factor de potencia total ser:

Cos total = Ptotal / Stotal = 352.6 / 376 = 0.938 Una vez encontrado las caractersticas del alternador podemos recurrir a los catlogos WEG, tipo industrial y obtenemos el alternador DKBH 320/04-1A , 220 V de tensin cuya potencia aparente es de 380 KVA. El rendimiento del alternador a plena carga esta indicado en el catlogo como 0.93. Luego la potencia del motor de accionamiento del alternador ser:

PM = PG . Cos total / EF = 380 x 0.938 / 0.93 = 383.3 KW



En este ejemplo fueron analizados las condiciones estacionarias del alternador, entre tanto antes de la determinacin final del tamao de la mquina es necesaria determinar la influencia de la partida de los motores (analizado a continuacin). Del catlogo de motores WEG obtenemos las caractersticas de funcionamiento de los motores que son los siguientes: Tabla 2.1.- Caractersticas de los motores trifsicos marca WEG.

CV KW In ( Amp ) Ip / In Ip ( Amp ) # polos IP Vn ( Vol.)

40 30 98 8.7 853 4 54 220

60 45 148 7.3 1080 4 54 220

75 55 180 7.4 1332 4 54 220

7.- INFLUENCIA DE LA CARGA INICIAL En alternadores las cargas iniciales pueden agruparse en:

. Impedancia constante.

. KVA. constante.

. Corriente constante. La corriente del alternador reducir proporcionalmente la tensin del alternador cuando este conectado a una carga de impedancia constante. Consecuentemente este efecto reducir la cada de tensin y para los efectos de clculo puede ser despreciado. Ejemplo de cargas de tipo de impedancia constante: Lmparas, calentadores, resistores, motores de induccin en vaco. Cuando se tienen cargas de tipo KVA constante frente a la reduccin de tensin tenemos un incremento de la corriente, ocasionando consecuentemente un aumento de la cada de tensin. Un ejemplo de este tipo de carga son los motores de induccin con carga. La variacin de la corriente en los motores de induccin con relacin a la cada de tensin pueden observarse en la siguiente figura. Esta variacin de corriente deber ser adicionada a la corriente de arranque de los motores de induccin. A pesar que los factores de potencia sean diferentes, considerndose en forma pesimista iguales . Al combinar cargas de KVA constante e impedancia constante obtenemos cargas del tipo corriente constante pues el efecto es contrario con la tendencia de que se anulen. En este caso la cada de tensin no provocara variaciones de corriente y consecuentemente no habra cada de tensin. Este tipo de cargas podemos considerarlo como la mas comn, pudiendo utilizar para el clculo de la cada de tensin la tabla de la siguiente pgina tabla 4.3 con la correccin de la fig.4.10. si fuese necesario.

8.- VIDA UTIL DE LAS MQUINAS ELECTRICAS GIRATORIAS Si no consideraramos el desgaste de las piezas debido al uso , como son las escobillas, rodamientos y otros la vida til de las mquinas elctricas es determinada por los materiales aislantes utilizados. Estos materiales son afectados por muchos factores como son las vibraciones, temperatura de trabajo, ambientes corrosivos, humedad entre otros. Con un aumento de 8 a 10 grados en la temperatura los materiales aislantes reducen su vida por la mitad. Cuando hablamos de disminucin de vida til de la mquina nos estamos refiriendo alas temperaturas elevadas o cuando el aislante se quema y por consiguiente los arrollamientos son destruidos.



Cuando hablamos de la vida til del aislamiento, en trminos de temperatura de trabajo (dentro de la regin correspondiente) nos estamos refiriendo al envejecimiento gradual del aislante que se ir resecando perdiendo poco a poco el poder aislante hasta que no soporte mas tensin aplicada y se produzca el cortocircuito. La experiencia nos muestra que el aislamiento tiene una duracin prcticamente ilimitada si su temperatura es mantenida debajo de sus lmites permisibles. Por encima de ste lmite la vida til del aislamiento es afectada por que el material aislante se va deformando cada vez mas y mas (a medida que la temperatura es mas alta) hasta perder el poder de aislante. La vida de los aislamientos dependen mucho de los barnices utilizados en la impregnacin. Las limitaciones de temperatura estn referidos al punto mas caliente del aislamiento y no necesariamente al bobinado.

9.- SOBRECARGA

Segn las normas VDE-530 los alternadores sncronos deben abastecer 1.5 veces la carga nominal

durante 15 segundos. En este caso a travs del sistema de regulacin se debe mantener la tensin muy prxima a la nominal. Para la utilizacin a bordo de navos los alternadores deben abastecer 1.5 veces la

corriente nominal durante 2 minutos. La sobrecarga momentnea en funcin de la corriente, para

mquinas de construccin normal (segn los catlogos).

NORNAS VDE - 530 - SOBRECARGA EN LAS MQUINAS SNCRONAS

Tipo Sobrecarga Tiempo ( seg ) Descripcin

01 1.5 In 15 Normales con VL muy prxima a la nominal

02 1.5 In 120 Utilizacin a bordo de navos.

03 ----- ------ Alternadores normales varios ver I/In vs tiempo.

0.6 1 2 3 4 5 6 10 20 30 40 60 100 200 300 400 600

TIEMPO ( SEG. )

0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0. 5 1 2 3 4 5 10 TIEMPO ( MINUT. )

I / IN 10

9

8

7

6

5

4

3

2.5

2

1. 5

1

SOBRECARGA

MOMENTANEA

EN FUNCION

DE LA

CORRIENTE

PARA

MAQUINAS

SINCRONAS

DE

FABRICACION

NORMAL



10000

5000

4000

3000

2000

1000

500

400

300

200

100

50

40

30

20

10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 mseg.

TIEMPO

POTENCIA

APARENTE

KVA

12

LEYENDA

1.- CON ESCOBILLAS

2.- SIN ESCOBILLAS

VALORES

APROXIMADOS

DE LOS TIEMPOS

DE REGULACION

VALIDOS PARA

AUMENTAR O

DISMINUIR LA

CARGA NOMINAL

10.- TIEMPO DE REGULACIN DE LA TENSIN Se entiende como tiempo de regulacin al tiempo transcurrido desde el inicio de la cada de tensin hasta el momento en que la tensin entra en el intervalo de la tolerancia estacionaria. El tiempo exacto de regulacin, en la prctica, depende de numerosos factores por tanto puede llevarse a cabo en forma aproximada. Por encima de las cargas nominales, es decir para incrementos mucho mayores, los tiempos pueden ser calculados proporcionalmente a la cada de tensin.

11.- COMPORTAMIENTO ESTACIONARIO DE LA TENSION Los alternadores sncronos segn su circuirto electrnico regulador automtico de tensin ( AVR ) se clasifican en:

. AVR independiente de la frecuencia para alternadores normales, donde U es constante. . AVR con regulacin proporcional a la frecuencia para alternadores especiales donde u / f es constante.

En ambos tipos proporcionan, con velocidad constante, el factor de potencia del generador entre 0.8 y 1. Con una variacin de tensin en estado estacionario que oscila entre 1% en vacio y plena carga.

La cada de la velocidad (RPM) hasta un 5% no afecta el funcionamiento normal del alternador. En los modelos donde se incluye un regulador especial U/f constante donde la variacin de la tensin es proporcional a las rotaciones. Tambin tienen un potencimetro de ajuste del valor de la referencia que se puede ser ajustada en 5% de la tensin nominal.



12.- CALCULO DE LA BOIBNA DE ATERRAMIENTO Este clculo solo es posible realizarlo cuando estamos utilizando alternadores con la conexin interna en estrella en la cual tenemos un punto neutro accesible. Cuando conectamos cargas monofsicas en alternadores trifsicos, principalmente si estas conexiones fueran desequilibradas llegaramos a tener una influencia considerable de la tercera armnica, consecuen-temente comienza a circular la corriente de secuencia cero por el circuito. Para conseguir disminuir o eliminar este defecto debe utilizarse una reactancia limitadora conectada entre el neutro y el sistema de aterramiento del generador. Esta reactancia recibe el nombre de REACTANCIA DE PETERSON. Esta reactancia puede ser calculada de la siguiente forma:

Xneutro = 0.3 Un / 3 . In Donde:

Un = Tensin nominal de fase del generador. In = Corriente nominal de fase del alternador.

Al disear esta reactancia se debe tener los siguientes cuidados: . La bobina deber tener caractersticas lineales hasta O.3 In. . Deber resistir termicamnete a 0.4 In. Terminales de aterramiento.- La finalidad del sistema de aterramiento es proteger a los operadores de las mquinas elctricas y de las mquinas accionadas por las mismas, contra posibles cortocircuitos entre una parte energizada y las carcasa de la mquina. Esta proteccin facilita un camino para la circulacin de las corrientes de fallas desvin- dolos a tierra, y por tanto, protegiendo al operador y a la misma mquina. El punto de conexin se halla ubicado en la parte inferior derecho de la caja de conexiones, el mismo que deber conectarse a travs del alimentador principal a su respectivo pozo de tierra.



168/04 30 24 32 43 86 87 86 89 90 89 6.0 11 0.16 230

163/04 14 11 16 21 84 83 82 87 87 86 10 15 0.11 155

165/04 20 16 22 30 85 85 84 88 88 84 9.0 14 0.12 180

167/04 25 20 27 36 86 86 85 89 89 88 8.0 13 0.14 210

KVA KW KW CV 50% 75% 100% 50% 75% 100%

COS = 0.8 COS = 0.8

EFICIENCIA ( % ) HMMTIPO

POTENCIA

GENERADA

POTENCIA

MOTOR

PRIMO Xd

( % )

Xd

( % )

J

Kgm

G

Kg

ALTERNADORES SINCRONOS TRIFASICOS, 380 Voltios, 60 Hz , 04 polos,

1800 RPM, Cos 0.8 , Tamb. 40 C. NORMA VDE- 530

DKBH Mquina trifsica sin escobillas con excitatriz auxiliar y regulador electrnico de tensin.

DKBL Mquina trifsica sin escobillas con regulador compuesto.

EKL Mquina monofsica sin escobillas con con regulador compuesto.

EL Mquina monofsica sin escobillas sin regulador compuesto.

DBMH Motor sncrono sin escobillas con disco de control de excitacin

DBL Mquina trifsica sin escobillas con excitacin independiente.

DKL Mquina trifsica con escobillas con regulador compuesto.

DL Mquina trifsica con escobillas con excitacin independient.

TIPO DESCRIPCION GENERAL

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b01 Me III - 08 Seleccion de Maquinas Sincronas Abril 2015